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高通量植物表型成像技術用于藥用植物脅迫應答與優化栽培條件
發布時間： 2024-09-05 點擊次數： 621次藥用植物，是指醫學上用于防病、治病的植物。其植株的全部或一部分供藥用或作為制藥工業的原料。藥用植物除了在中醫藥中有廣泛應用，在歐美、南亞、東南亞的傳統醫藥以及現代醫藥中也有廣泛而重要的用途。
目前最新的藥用植物研究利用最新的表型成像技術取得了大量的成果。相關研究主要有兩個方向：
1. 著重于藥用植物的“植物"屬性，研究其光合能力、逆境響應、生理生態等
2. 利用先進的表型成像技術，對藥用植物的生長狀況、有效成分等進行連續無損檢測，用于開發選育更優良的天然藥物或優化其培養條件。
在藥用植物表型研究中，植物表型相關研究技術請見下表：
在藥用植物表型研究中，國內外研究者利用易科泰及合作廠家提供的植物表型成像技術已經取得了大量研究成果，下面我們介紹其中的部分重要成果：
案例一、積雪草不同灌溉體系下的表型應答變化
積雪草（Centella asiatica (L.) Urban）具有清熱利濕、活血止血、解毒消腫的功效，主治發熱，咳喘，咽喉腫痛，腸炎，痢疾等，是亞洲地區廣泛使用的一種傳統藥用植物，在現代醫藥和化妝品行業中也有應用。
泰國科技發展署研究了積雪草在不同灌溉體系下的表型應答變化，目標是獲得最適宜的灌溉方法以用于培育生產。研究人員利用PlantScreen高通量表型成像分析系統模擬了4種不同的灌溉方法（100%、75%、50%、25%田間持水量，分別標為I100、I75、I50、I25），在培養過程中同步進行了RGB形態成像、葉綠素熒光成像、紅外熱成像等表型成像分析。
結果表明在I75灌溉植株中，葉片數量、植株周長、植株體積和干重保持不變，而當植株接受I25灌溉21天時，其形態生長參數受到嚴重影響。與對照組相比，I75灌溉植物的葉溫保持不變，而采用I25灌溉處理的植物葉溫升高了2.0℃。葉溫升高歸因于蒸騰效率下降，導致作物水分脅迫指數CWSI上升。在I75灌溉下，植物葉片綠度保持不變，而在I50和I25灌溉下，葉片綠度顯著下降。這些下降歸因于非光化學猝滅系數NPQ增加和光合速率受到抑制。因此，研究結果認為75%田間持水量是積雪草的最佳灌溉方法。
案例二、纈草在水淹和不同水分虧缺條件下的表型響應
纈草（Valeriana jatamansi Jones），又名蜘蛛香，中醫認為其味辛、澀，性涼，具有消食健胃、理氣止痛、祛風解毒的功能。纈草也用于阿育吠陀（Ayurveda，印度傳統醫術）和藏醫。
印度科學和工業研究理事會研究了纈草在水淹和不同水分虧缺條件下（80%對照、60%、40%、20%田間持水量）的脅迫響應，尤其是光合系統的響應機制。研究人員通過FluorCam葉綠素熒光成像系統等儀器進行了動態葉綠素熒光淬滅成像分析和OJIP快速熒光動力學分析。結果表明，隨著水分虧缺程度加深，最大光化學效率Fv/Fm、非光化學猝滅系數NPQ和qN、性能指數PI都隨之下降，水淹的相關參數在中等水平。而實際光化學效率ΦPSII（即量子產額QY）、光化學猝滅系數qP等則對水分虧缺和水淹更為敏感。由此可知，灌溉調控在纈草栽培過程中極為重要。
案例三、人參熱脅迫早期診斷
韓國忠南大學的學者在人參熱脅迫早期檢測實驗中，使用熒光高光譜成像系統對四個人參品種（Chunpoong、Jakyeong、Sunil、Sunmyoung）進行紫外光激發生物熒光高光譜成像，應用方差分析（ANOVA）選擇最佳波長生成比值圖像，將圖像轉化為二進制圖像確定閾值，利用閾值強度來可視化對人參熱脅迫前后的差異。結果顯示，基于UV-MCF生物熒光數據應用方差分析來檢測熱脅迫植物，其準確度為96%。
易科泰植物表型成像技術方案：
l 可根據用戶需要靈活定制各種高通量測量平臺，如PTS傳送帶式、XYZ三維掃描式等，樣品通量從幾十盆至上千盆。
l 可靈活選配RGB成像、FluorCam葉綠素熒光成像、UV-MCF生物熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像、激光雷達、根系成像等多種成像傳感器以及自動澆灌與稱重模塊等。
l 根據研究對象進行專門優化定制，包括擬南芥、煙草等模式植物；玉米、水稻、小麥、大豆等作物；花卉、蔬菜等園藝作物等。
參考文獻：
1. Theerawitaya C, et al. 2023. Investigating high throughput phenotyping based morpho-physiological and biochemical adaptations of indian pennywort (Centella asiatica L. urban) in response to different irrigation regimes. Plant Physiology and Biochemistry 202: 107927
2. Thakur A, et al. 2024. Physiological and biochemical regulation of Valeriana jatamansi Jones under water stress. Plant Physiology and Biochemistry 208: 108476
3. Faqeerzada M A, et al. 2022. Fluorescence Hyperspectral Imaging for Early Diagnosis of Heat-Stressed Ginseng Plants. Applied Sciences 13(1): 31
北京易科泰生態技術公司提供藥用植物表型研究及無損鑒定全面技術方案：
l FluorTron®多功能高光譜成像分析系統
l FluorCam葉綠素熒光成像系統
l FluorTron®植物光合表型成像分析系統
l FluorCam多光譜熒光成像系統
l PhenoTron®植物表型成像分析系統
l RhizoTron®根系表型成像分析系統
l PhenoTron®復式智能LED光源培養與光譜成像分析平臺
l PlantScreen高通量表型成像分析系統